Водород в автомобилях: опасности и сложности использования

Получение водорода

Получение водорода электролизом воды

Сейчас известно около десятка методов получения водорода из разных исходных материалов. Самый известный — гидролиз воды, ее разложение при пропускании электрического тока, но он требует больших затрат энергии. Главным направлением снижения энергозатрат при электролизе воды является поиск новых материалов для электродов и электролитов.

Разрабатываются методы получения водорода из воды с использованием неорганических восстановителей — электроотрицательных металлов и их сплавов с добавкой металлов-активаторов. Такие сплавы названы энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Они позволяют получать из воды любое количество водорода. Еще одним способом выделения водорода из воды может стать ее фотоэлектрохимическое разложение под действием солнечного света.

Получение водорода парофазной переработкой метана

К распространенным методам относятся парофазная переработка метана (природного газа) и термический метод разложения угля и другого биоматериала. Перспективны термохимические циклы производства водорода, парофазные методы конверсии его из каменного и бурого угля и торфа, а также метод подземной газификации угля с получением водорода.

Отдельная тема — разработка катализаторов для получения водорода из органического сырья — продукта переработки биомассы. Но при этом наряду с водородом образуются значительные количества окиси углерода (СО), который необходимо утилизировать.

Получение водорода из биогаза

Еще один перспективный метод — процесс каталитической паровой переработки этанола. Можно также получить водород из угля (как каменного, так и бурого) и даже из торфа

Также все большее внимание привлекает сероводород. Это обусловлено низкими затратами энергии на электролитическое выделение водорода из сероводорода и большими запасами этого соединения в природе — в воде морей и океанов, в природном газе

Сероводород также получается в качестве побочного продукта нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности.

Водород можно получать с использованием плазменных технологий. С их помощью можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, например твердые бытовые отходы. В качестве источника термической плазмы используются плазмотроны — устройства, генерирующие плазменную струю.

Хранение водорода

Для хранения водорода непосредственно в автомобиле существуют следующие способы: газобаллонный, криогенный, металлогидридный.

В первом случае водород хранится в сжатом виде при давлении около 700 атм. При этом масса водорода составляет всего около 3% от массы баллона и для хранения сколько-нибудь заметного количества газа нужны весьма тяжёлые и объёмные баллоны

Это не говоря уже о том, что изготовление, зарядка и эксплуатация таких баллонов требуют особых мер предосторожности из-за опасности взрыва

Криогенный способ подразумевает сжижение водорода и хранение его в теплоизолированных сосудах при температуре -235 градусов. Это достаточно энергозатратный процесс – сжижение обходится в 30-40% той энергии, которая получится при использовании полученного водорода. Но, как-бы ни была совершенна теплоизоляция, водород в баке нагревается, давление увеличивается и газ стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. Всего несколько дней – и баки пусты!

Самыми перспективными являются твердые накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя, как губка, водород при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании. Чтобы это было экономически выгодно, такой металлогидрид должен «впитывать» не менее 6% водорода. Весь мир сейчас ищет подобные материалы. Как только материал будет найден — его подхватят технологи, и процесс «водородизации» пойдет.

Список автомобилей на водородном топливе

Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina H2 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

• Audi A7 h-tron quattro;
• Hyundai Tucson FCEV;
• Mazda RX-8 Hydrogen RE;
• Автобус Ford E-450;
• Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Focus FCV;
• Honda FCX;
• Nissan X-TRAIL FCV;
• Toyota Highlander FCHV;
• Volkswagen — space up!;
• Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
• Irisbus;
• Toyota FCHV-BUS;
• единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Энергия

Водород в огромных количествах заключен в воде, углеводородах и других органических веществах. Одна из проблем использования водорода в качестве топлива связана с возможностью эффективного извлечения водорода из этих соединений. Теперь большая часть производимого водорода приходится на паровой риформинг, в котором высокотемпературный пар сочетается с природным газом. Этот метод производства водорода происходит при температурах 700–1100 ° C, а его эффективность составляет 60–75%. Водород также может быть получен из воды посредством электролиза, который менее углеродоемок, если электричество, используемое для запуска реакции, поступает не от электростанций, работающих на ископаемом топливе, а вместо этого используется возобновляемая или ядерная энергия. Эффективность электролиза воды составляет примерно 70-80%, с целью достичь эффективности 82-86% к 2030 году с использованием электролизеров с протонообменной мембраной (PEM). После производства водород можно использовать почти так же, как и природный газ — его можно доставлять в топливные элементы для выработки электричества и тепла, использовать в газовой турбине с комбинированным циклом для производства большего количества электроэнергии, производимой централизованно, или сжигать для сжигания. двигатель; все методы без выбросов углерода или метана. В каждом случае водород объединяется с кислородом с образованием воды. Это также одно из его важнейших преимуществ, поскольку водородное топливо экологически безвредно. Тепло в водородном пламени — это лучистое излучение вновь образованных молекул воды. Молекулы воды при начальном образовании находятся в возбужденном состоянии, а затем переходят в основное состояние; переход, испускающий тепловое излучение. При горении на воздухе температура составляет примерно 2000 ° C (как у природного газа). Исторически углерод был наиболее практичным носителем энергии, поскольку водород и углерод вместе взятые имеют большую объемную плотность, хотя сам водород имеет в три раза большую плотность энергии на массу, чем метан или бензин. Хотя водород является самым маленьким элементом и, таким образом, имеет немного более высокую склонность к утечкам из труб для природного газа, таких как железные, утечки из пластиковых (полиэтилен PE100) труб, как ожидается, будут очень низкими и составляют около 0,001%.

Причина, по которой паровой риформинг метана традиционно предпочитается электролизу, заключается в том, что в то время как риформинг метана напрямую использует природный газ, для электролиза требуется электричество. Поскольку стоимость производства электроэнергии (с помощью ветряных турбин и солнечных фотоэлектрических установок) ниже стоимости природного газа, электролиз становится дешевле, чем SMR.

Роль российских компаний в новой энергетике

Однако для пилотных проектов подходит не только Северная Африка. Как показывает проект водородного трамвая, запущенного в Санкт-Петербурге в ноябре 2019 года, современные российские города прекрасно подходят в качестве «шоурумов» для водородных технологий. Такие яркие примеры внедрения инноваций будут иметь положительный имиджевый эффект не только для экономики России, но и для долгосрочного сотрудничества с Евросоюзом.

Потенциал этого сотрудничества частично отражен в энергетической стратегии Российской Федерации, опубликованной день в день с немецкой водородной стратегией. В документе водород обозначен как топливо с высоким экспортным потенциалом. К 2024 году российский экспорт водорода должен составить 0,2 млн т, а к 2035 вырасти до 2 млн т. По планам Минэнерго, Россия должна занять до 16% мирового рынка водорода.

В парадигме, когда уровень развития и благосостояния страны напрямую зависят от экспорта энергоресурсов, ставка на водород совершенно оправдана. Эта технология может стать дополнительным драйвером развития в общем балансе экспорта. Но чтобы реализовать эти амбициозные планы, российским корпорациям нужно уже сейчас развивать водородную энергетику и оперативно пересматривать свои бизнес-модели, ведь «энергетический переход», на который нацелились немцы, неминуемо приведет к снижению спроса на нефтепродукты и природный газ в ближайшем будущем.

Атомная энергия и радиотермические генераторы

Ядерные реакторы

Ядерная энергия — это любая ядерная технология, предназначенная для извлечения полезной энергии из ядер атомов посредством контролируемых ядерных реакций . Единственный практический управляемый метод — это ядерное деление в делящемся топливе (с небольшой долей энергии, получаемой от последующего радиоактивного распада ). Использование ядерной реакции ядерного синтеза для управляемого производства энергии еще не практично, но является активной областью исследований.

Ядерная энергия обычно используется с использованием ядерного реактора для нагрева рабочей жидкости, такой как вода, которая затем используется для создания давления пара, которое преобразуется в механическую работу с целью выработки электричества или движения в воде. Сегодня более 15% мировой электроэнергии вырабатывается за счет ядерной энергетики, и построено более 150 военно-морских судов с атомными двигателями.

Теоретически электричество ядерных реакторов можно было бы использовать для приведения в движение в космосе, но это еще предстоит продемонстрировать в космическом полете. Некоторые реакторы меньшего размера, такие как ядерный реактор TOPAZ , построены так, чтобы минимизировать количество движущихся частей и использовать методы, которые более напрямую преобразуют ядерную энергию в электричество, что делает их полезными для космических миссий, но это электричество исторически использовалось для других целей. Энергия ядерного деления использовалась в ряде космических аппаратов, все из которых были беспилотными. Советы до 1988 года установили на орбите 33 ядерных реактора на военных радиолокационных спутниках RORSAT , где вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания радиолокационного блока, который обнаруживал корабли в океанах Земли. США также вывели на орбиту один экспериментальный ядерный реактор в 1965 году в рамках миссии SNAP-10A . С 1988 года ни один ядерный реактор не запускался в космос.

Ядерные реакторы на ториевом топливе

Ядерные энергетические реакторы на основе тория также стали областью активных исследований в последние годы. Его поддерживают многие ученые и исследователи, и профессор Джеймс Хансен, бывший директор Института космических исследований имени Годдарда НАСА, как сообщается, сказал: «После изучения изменения климата в течение более четырех десятилетий мне стало ясно, что мир движется к климатическая катастрофа, если мы не разработаем адекватные источники энергии для замены ископаемого топлива . Более безопасная, чистая и дешевая ядерная энергия может заменить уголь и отчаянно необходима как неотъемлемая часть решения ». В природе тория в 3-4 раза больше, чем урана , а его руда, монацит , обычно встречается в песках вдоль водоемов. Торий также вызывает интерес, потому что его легче получить, чем уран. В то время как урановые рудники закрыты под землей и поэтому очень опасны для горняков, торий добывают из открытых карьеров. Монацит присутствует в таких странах, как Австралия, США и Индия, в количествах, достаточных для того, чтобы обеспечивать энергию на Земле в течение тысяч лет. Доказано, что в качестве альтернативы ядерным реакторам на урановом топливе торий способствует распространению, образует радиоактивные отходы для глубоких геологических хранилищ, таких как технеций-99 (период полураспада более 200000 лет), и имеет более длительный топливный цикл.

Список экспериментальных и действующих в настоящее время реакторов, работающих на ториевом топливе, см. В разделе « .

Радиотермические генераторы

Кроме того, радиоизотопы используются в качестве альтернативного топлива как на суше, так и в космосе. Их использование земли сокращается из-за опасности кражи изотопов и нанесения ущерба окружающей среде в случае вскрытия установки. Распад радиоизотопов приводит к возникновению тепла и электричества во многих космических аппаратах, особенно в зондах внешних планет, где солнечный свет слаб, а низкие температуры представляют собой проблему. Радиотермические генераторы (РИТЭГи), которые используют такие радиоизотопы в качестве топлива, не поддерживают ядерную цепную реакцию, а вырабатывают электричество в результате распада радиоизотопа, который (в свою очередь) был произведен на Земле в качестве концентрированного источника энергии (топлива) с использованием энергии из ядерный реактор наземного базирования .

Критика водородного транспорта

• Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широком диапазоне концентраций. Бензин не горит при лямбда менее 0,5 и более 2, водород при таких соотношениях горит великолепно. Но водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется. Для транспорта разрабатываются специальные безопасные системы хранения водорода — баки с многослойными стенками, из специальных материалов и т. д. (К примеру, бак из нанотрубок, заполненных водородом.) Но всё равно это в целом удорожает весь цикл эксплуатации транспортного средства, ложась расходами на плечи потребителя.
• Водородная силовая установка на базе традиционного ДВС значительно сложнее и дороже в обслуживании, чем обычный ДВС (особенно дизельный). По данным Массачусетского технологического института, эксплуатация водородного автомобиля на данном этапе развития водородных технологий обходится в сто раз дороже, чем бензинового.
• Пока нет достаточного опыта эксплуатации водородного транспорта.
• Нет возможности быстрой дозаправки в пути из канистры или от другого автомобиля.
• Для заправки водородом требуется построить сеть заправочных станций. Для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким водородом, стоимость оборудования выше, чем для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким топливом (бензином, этанолом и дизельным топливом). (Согласно GM, строительство 12 тысяч водородных заправочных станций в 2005 году оценивалось в $12 млрд, то есть $1 млн на одну заправочную станцию, в то время как комплект оборудования для бензиновых заправочных станций стоит от $40 тыс., в среднем $100-200 тыс.) .
• Цена 8 евро за литр (500 руб)..
• Летучесть водорода самая высокая среди газов. Таким образом, водород трудно сохранить в жидком виде, это затрудняет хранение водорода, транспортировку и использование в баке, так как топливо полностью испарится из бака за короткое время. За девять дней испаряется полбака топлива BMW Hydrogen
• В настоящий момент водород производится путём расхода значительного количества электроэнергии

Недостатки

Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:

1. Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.

2. Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.

3. Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.

4. Несовершенство технологий хранения такого топлива.

5. Дорогие водородные элементы.

6. Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

7. Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.

Есть ли будущее у водородных авто

Машины, работающие на водородном топливе, не выделяют в воздух углекислого газа, а, значит, не вредят окружающей среде и не способствуют глобальному потеплению.

Это преимущество – серьёзный повод для перехода на этот газ, но не единственный.

Есть у водородных авто и другие плюсы:

• Бесшумная работа. В отличие от ДВС, водородные двигатели практически не создают шума.
• Высокий крутящий момент в самом начале движения. Причина – использование в конструкции таких автомобилей только электрических моторов.
• Большой рабочий диапазон. 1 грамм водорода позволяет получить втрое больше энергии по сравнению с 1 г бензина.
• Быстрая заправка. Новые технологии позволяют залить бак с водородом быстрее, чем будет заряжаться любой электромобиль, и почти так же быстро, как заливается бензин.
• Запас хода до 500-600 км, превышающий показатели большинства электромобилей. Конечно, с бензиновыми авто эта цифра не сравнится – но разница не такая большая. У многих работающих на бензине машин дальность поездки с полным баком не превышает 800-900 км.

Среди серьёзных минусов отмечают, что водородное топливо пока слишком дорогое по сравнению с электричеством.

Даже, если сравнивать его с бензином (цена 1 км пути почти одинакова), стоит уделить внимание высокой стоимости водородных автомобилей. Переплачивая за электрокар, можно рассчитывать на экономию в будущем – переплата за машину с водородным двигателем не окупится

С одной стороны, причин для отказа от водородного топлива в качестве конкурирующего с электричеством варианта, достаточно.

С другой – проблему с заправками уже решают правительства разных стран – Китая, Японии, Германии.

Так, в КНР к 2030 году планируется установить больше 1000 водородных станций, число японских ВЗС превысило сотню, немецких – 50.

Интерес к развитию технологии проявили такие известные производители как VW, GM, Daimler AG и BMW. Когда заправок будет больше, водородный транспорт станет серийным, популярность FCEV может увеличиться.

Главные плюсы и минусы водородных моторов

Основные достоинства, которыми обладают водородные двигатели:

• высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар. При сгорании водорода происходит ещё и выгорание моторного масла, однако количество токсичных выхлопов при этом в несколько раз меньше, чем при сгорании бензинового или «тяжёлого» топлива;
• высокий КПД, который в разы превосходит таковой в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;
• относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих и ненадёжных систем топливоподачи, которые к тому же опасны;
• бесшумность.

Несмотря на ряд существенных преимуществ, водородные моторы имеют достаточное количество недостатков:

• высокая цена и сложность получения чистого водорода;
• неразвитая инфраструктура автозаправочных станций, способных осуществить дозаправку водородом;
• отсутствие международных стандартов транспортировки и применения водородного горючего;
• высокая цена топливных компонентов и обслуживания водородных двигателей;
• трудности, связанные с хранением водородного горючего. Учёные до сих пор не пришли к единому знаменателю касательно материала, который необходимо использовать при изготовлении баков для хранения горючего водорода;
• увеличение общей массы машины за счёт наличия водородного двигателя, который заметно тяжелее ныне распространённых бензиновых и дизельных моторов.

Основные характеристики водородных автомобилей

Главные игроки автомобилестроительного рынка уже имеют опытные образцы своей продукции, использующие водород в качестве топлива. Можно уже определённо выделить отдельные технические характеристики таких машин:

• максимально развиваемую скорость до 140 км/час;
• средний пробег от одной заправки 300 км (некоторые производители, например, Тойота или Хонда заявляют вдвое большую цифру – 650 или 700 км, соответственно, на одном лишь водороде);
• время разгона до 100 км/час с нуля – 9 секунд;
• мощность силовой установки до 153 лошадиных сил.

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Совсем неплохие параметры даже для бензиновых двигателей. Пока ещё не наметился крен в сторону ВДВС, использующего сжиженный Н2 или машин на ВЭ, и непонятно, какой из этих типов двигателей достигнет лучших технических характеристик и экономических показателей. Но сегодня больше выпущено моделей машин с электроприводом, работающих от ВЭ, которые дают больший КПД. Хотя расход водорода для получения 1 кВт энергии меньше в ВДВС.

Как работает водородный автомобиль

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде.